| УДК 621.771.02 На правах рукописи
НОГАЕВ КАЙРОШ АБИЛОВИЧ
Разработка и
исследован
и
е
ресурсосберегающего способа ковки заготовок, обеспечивающего повышение качеств
а
поковок
05.03.05 – Технологии и машины обработки давлением
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Алматы, 2006
Работа выполнена в АО «Карагандинский металлургический институт»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Найзабеков А. Б.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Белков Е. Г.
кандидат технических наук, доцент Бейсенов Б. С.
Ведущая организация: Карагандинский государственный технический университет
Защита состоится _24.03.2006
_ 1400
на заседании диссертационного совета К14.17.02 при Казахском национальном техническом университете имени К.И. Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, конференц зал НК.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева. Справки по телефону 92-68-35 доб. 128, факс 8-3272-92-60-25
Автореферат разослан ________
| Ученый секретарь
диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент
|
|
Ескулов С.С.
|
Введение
Актуальность темы.
В настоящее время существуют различные способы ковки металлов и сплавов, где интенсивные сдвиговые деформации реализуются за счет усложнения конфигурации и конструкции кузнечных инструментов, вследствие чего снижаются их надежность и универсальность, увеличиваются затраты на их изготовление, сужаются номенклатура и типоразмер обрабатываемых заготовок. При исследовании этих способов в основном используются эмпирический подход и упрощенные аналитические методы, которые достаточно ограничены из-за принятых гипотез и допущений. В связи с этим, разработка новых способов деформирования с применением надежных кузнечных инструментов простой конфигурации и несложной конструкции, обеспечивающих повышение качества поковок и заготовок путем интенсификации сдвиговых деформации в объеме слитков и заготовок, а также создание надежных методов достаточно точного количественного определения параметров технологических процессов с учетом влияния большого числа факторов на основе математического моделирования и оптимизации являются актуальными.
Цель работы
. Разработка и исследование ресурсосберегающего способа ковки заготовок, обеспечивающего повышения качества поковок.
Задачи исследования:
- теоретическое и экспериментальное обоснование создания ресурсосберегающего способа деформирования и инструмента для его реализации;
- совершенствование методики исследования способов деформирования на основе численных методов математического моделирования;
- определение напряженно-деформированного состояния заготовок при деформировании новым инструментом;
- проведение опытно-промышленного опробования разработанного способа и инструмента в производственных условиях
- осуществление оценки качества поковок, полученных новым способом.
На защиту выносятся:
- результаты исследования напряженно-деформированного состояния в объеме металла, формоизменения заготовки, энергосиловых параметров процесса при деформировании заготовок инструментом, реализующим интенсивные сдвиговые деформации;
- результаты исследования влияния технологических и геометрических параметров предложенного способа деформирования и инструмента на качество металла заготовок.
Научная новизна работы:
На основании численных методов математического моделирования выявлены закономерности развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовок и изменения энергосиловых параметров в зависимости от технологических показателей процесса деформирования. Установлены рациональные конструктивные параметры и условия работы деформирующего инструмента, при которых будут обеспечены оптимальные характеристики очага деформаций и энергосиловых параметров процесса деформирования.
Практическая ценность работы:
- на основе проведенных исследований разработан новый кузнечный инструмент (предпатент РК №14306), обеспечивающий высокие качество поковок при минимальном обжатии заготовки;
- разработанный технологический процесс прошел опытно-промышленное опробование в кузнечно-прессовом цехе АО «Миттал Стил Темиртау» и получил положительную оценку (Приложение Д).
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены на:
- ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов Карагандинского металлургического института (г. Темиртау, 2000 - 2005 гг.);
- международной научной конференции "Наука и образование - ведущий фактор стратегии "Казахстан-2030" (г. Караганда, 2001, 2002 г.г.);
- международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии» (г. Темиртау, 2001, 2003 г.г.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 9 статьей в научно-технических журналах, 3 доклада в международных научных конференциях и один предпатент Республики Казахстан.
Структура и объем диссертации.
Диссертация изложена на 121 страницах машинописного текста, включая 54 рисунков и 9 таблиц. Состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников в количестве 91 наименования, приложения.
Содержание работы
Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность.
В ПЕPВОЙ ГЛАВЕ выявлена роль сдвиговых деформации при обработке металлов давлением (ОМД) и проведен анализ существующих способов деформирования, реализующие интенсивные сдвиговые деформации, направленные на повышение качества заготовок, особенно литых.
Анализ существующих способов ковки, реализующих интенсивные сдвиговые деформации, выявил необходимость разработки новых способов деформирования с применением надежных кузнечных инструментов простой конфигурации и несложной конструкции, обеспечивающих повышение качества поковок и заготовок путем интенсификации сдвиговых деформации в объеме слитков и заготовок.
Для решения проблемы рационализации технологических процессов ковки и создания единой теоретической основы расчета в основном применяются упрощенные аналитические методы и различные полуэмпирические подходы, построенные на обобщении лабораторных и производственных опытов. Практические возможности таких методов достаточно ограничены из-за принятых гипотез и допущений. В то же время решение ряда практических вопросов технологии ОМД требует более полной и достоверной информации о напряженно-деформированном состоянии металла по сравнению с той, что дают полуэмпирические и существующие аналитические модели. Переход к задачам обработки металлов давлением с учетом реальных механических свойств металла возможен только на основе использования современных численных методов анализа, в частности метода конечных элементов (МКЭ).
Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ теоретически обоснован способ деформирования, реализующий интенсивные сдвиговые деформации в объеме металла заготовки, и разработан кузнечный инструмент для его осуществления.
Реализация интенсивных сдвиговых деформаций в объеме металла заготовок инструментами с плоскими рабочими поверхностями расширяют их технологические возможности. При деформировании такими инструментами развитие интенсивных сдвиговых деформаций в объеме металла заготовок можно реализовать перераспределением сил трения вдоль контактных поверхностей между заготовкой и инструментом за счет изменения движения рабочей поверхности. Например, горизонтальное перемещение верхней рабочей поверхности при осадке плоскими бойками (рисунок 1) приводит к возникновению дополнительных напряжений сдвига на контактной поверхности и смещению линии раздела пластического течения металла по контактной поверхности от её середины, что обуславливает развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовки.
Рисунок 1 – Схема деформирования плоскими бойками с наложением дополнительных однопоточных деформаций сдвига
Соотношение и
г
/и
в
горизонтальных и
г
и вертикальных и
в
составляющих перемещения верхней рабочей поверхности инструмента определяет характер процесса деформирования заготовки. Например, при и
г
/и
в
=0 происходит только обжатие заготовки. Сдвиг заготовки возможен только при и
г
/и
в
¹0. При определенных значениях соотношения и
г
/и
в
и контактных условий можно обеспечить наилучшие показатели напряженно-деформированного состояния в объеме заготовки и энергосиловых параметров процесса. Для определения рациональных значений соотношений и
г
/и
в
и оптимальных контактных условий необходимо подробное исследование напряженно-деформированного состояния в объеме заготовки и энергосиловых параметров процесса деформирования с учетом реальных механических свойств металла, которое возможно только на основе использования современных численных методов анализа, в частности метода конечных элементов (МКЭ).
Конечно-элементное моделирование процесса деформирования проводилось с помощью программы ANSYS, предназначенной для проведения анализа в широком круге инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм). В ходе конечно-элементного моделирования процесса деформирования заготовки из стали 40Х получены результаты в виде полей распределения напряжений и деформаций по сечению заготовки, эпюр распределения контактных напряжений (рисунок 2), а также в виде листингов, где приведены числовые значения указанных величин во всех узлах.
а)  б) 
в)  г) 
а и б – Распределение гидростатического давления s
0
и степени деформации сдвига Г
по поперечному сечению заготовки;
в и г – Распределение давления и напряжения трения на контактной поверхности;
Рисунок 2 – Графическое представление результатов конечно-элементного моделирования при u
г
/u
в
=3
В результате конечно-элементного моделирования установлено, что при малых значениях коэффициента трения, когда не обеспечивается достаточного сцепления между заготовкой и рабочей поверхностью инструмента, увеличение соотношения u
г
/u
в
не приводит к сдвигу заготовки. В связи с этим деформирование заготовки по указанной схеме необходимо осуществлять инструментом с грубо обработанной рабочей поверхностью без применения смазки. Сравнительный анализ распределения гидростатического давления по сечению заготовки показывает, что при всех значениях соотношения u
г
/u
в
по поперечному сечению в основном преобладают сжимающие напряжения. Схема всестороннего сжатия, обеспечиваемая в большей части поперечного сечения, особенно в осевых зонах, гарантирует отсутствие макро- и микротрещин в кованом металле и благоприятствует максимальной степени пластичности деформируемой заготовки. Наряду с этим можно заметить, что зоны, прилегающие к свободным поверхностям заготовки, находятся под воздействием растягивающих напряжений. При увеличении соотношения u
г
/u
в
площадь зон, находящиеся под воздействием растягивающих напряжений, и значения самих напряжений увеличиваются. Это может привести к вскрытию металла и появлению трещин в указанных зонах. Поэтому для обеспечения целостности металла необходимо ограничить соотношения u
г
/u
в
. Анализ распределения степени деформации сдвига Г
по поперечному сечению заготовки показывает, что при всех значениях соотношения u
г
/u
в
интенсивные сдвиговые деформации локализованы вдоль короткой диагонали поперечного сечения. С увеличением соотношения u
г
/u
в
возрастают максимальные степени деформации сдвига. Максимальные значения степени деформации сдвига для всех значений соотношения u
г
/u
в
расположены в осевой зоне заготовки, что обуславливает их интенсивную проработку. Таким образом, увеличение соотношения u
г
/u
в
обуславливает развитие интенсивной сдвиговой деформации в объеме металла заготовки. Вблизи свободных поверхностей и некоторых участках контактной поверхности имеются зоны затрудненной деформации, где значения Г
минимальны. Путем кантовки заготовки в последующих этапах деформирования зоны интенсивных сдвиговых деформации можно распространить во все участки заготовки.
Анализ распределения напряжений на контактной поверхности показывает, что с увеличением соотношения u
г
/u
в
происходит смещение линии раздела пластического течения от середины и постепенно реализуется однопоточная схема течения металла, что обуславливает более интенсивное развитие сдвиговых деформаций в объеме металла. Для оценки энергосиловых параметров процесса по значениям давлений на контактной поверхности и напряжений контактного трения вычислены деформирующее усилие, приходящееся на единицу длины заготовки. График изменения деформирующего усилия (рисунок 3, а) показывает, что при u
г
/u
в
=2 и u
г
/u
в
=3 (кривые 2 и 3) значение деформирующего усилия почти в два раза ниже чем при u
г
/u
в
=1 и при осадке. Такое снижение значений деформирующего усилия с увеличением u
г
/u
в
связано с уменьшением площади контакта при отрыве части поверхности заготовки от инструмента и меньшими значениями давления на контактной поверхности при реализации интенсивной сдвиговой деформации. Вместе с тем при деформировании по рассматриваемой схеме возникает горизонтальная сила, которая возрастает с увеличением соотношения u
г
/u
в
(рисунок 3, б).
а)  б) 
0 - u
г
/u
в
=0 (осадка); 1 - u
г
/u
в
=1; 2 - u
г
/u
в
=2; 3 - u
г
/u
в
=3
Рисунок 3 – Изменение усилий деформирования (а) и горизонтальной силы (б) в ходе нагружения
Сопоставление показателей напряженно-деформированного состояния заготовки и энергосиловых параметров процесса при различных значениях u
г
/u
в
показывает, что наиболее лучшие показатели получаются при соотношениях u
г
/u
в
=2¸3 и деформировании заготовки инструментом с грубо обработанной рабочей поверхностью без применения смазки. Дальнейшее увеличение u
г
/u
в
может быть ограничено, из-за возможного опрокидывания заготовки при интенсивном отрыве поверхности заготовки от поверхности инструмента. Результаты конечно-элементного моделирования процесса деформирования заготовок можно применить в целях создания теоретической базы данных для возможных случаев их реализации в практической деятельности различными инструментами.
Для реализации интенсивных сдвиговых деформации заготовки по вышеуказанной схеме деформирования предложен кузнечный инструмент с плоскими рабочими поверхностями (рисунок 4), который отличается от существующих инструментов отсутствием сложных узлов, что улучшает его монтаж, наладку и эксплуатацию.
Инструмент работает следующим образом. В исходном положении (рисунок 4, а) бойки разведены, и заготовка 4 подается между ними. При ходе ползуна пресса вниз верхний боек 1 через рабочую вставку 2 давит на заготовку 4, в результате противодействия со стороны заготовки 4 рабочая вставка 2 перемещается по наклонной плоскости верхнего бойка 1. Благодаря этому поверхности соприкосновения рабочей вставки 2 и нижнего бойка 5 воздействуют на обрабатываемую заготовку 4 как в нормальном, так и в касательном направлениях, вызывая одновременно её обжатие и поперечный сдвиг за счет противоположно направленных сил контактного трения со стороны рабочей вставки 2 и нижнего бойка 5. После достижения необходимого сдвига заготовки (рисунок 4, б) верхний боек с рабочей вставкой поднимается вместе с ползуном пресса, а пружины 3 возвращают рабочую вставку 2 в исходное положение.
а)  б)
1 – верхний боек; 2 – рабочая вставка; 3 – удерживающие пружины;
4 – деформируемая заготовка; 5 – нижний боек;
а) – исходное положение; б) – конечное положение.
Рисунок 4 – Схема деформирования инструментом, реализующий интенсивные сдвиговые деформации заготовки
Перемещение рабочей вставки u
р.в.
при деформировании заготовки можно разложить на горизонтальные и
г
и вертикальные и
в
составляющие, при определенных соотношениях и
г
/и
в
которых как было установлено выше происходит наиболее лучше деформирование заготовки. Обеспечение требуемых значений соотношений и
г
/и
в
зависит от конструктивных параметров инструмента, машинного трения между рабочей вставкой и верхним бойком, деформационного трения между заготовкой и рабочей вставкой, реологических свойств материала, обрабатываемой заготовки.
Для того чтобы рабочая вставка начала перемещаться по наклонной поверхности верхнего бойка, сила, действующая со стороны заготовки, должна образовывать с нормалью к наклонной поверхности угол больше угла трения, т.е. для предлагаемого инструмента должно выполнятся следующее условие:
a
> a
тр
. (1)
где a
– угол наклона соприкасающихся поверхностей верхнего бойка и рабочей вставки;
a
тр
– угол трения на соприкасающихся поверхностях верхнего бойка и рабочей вставки.
При несоблюдении условия (1) деформирование заготовки будет осуществляться без перемещения рабочей вставки, т. е. будет осуществляться только осадка заготовки.
При деформировании заготовки рабочие вставки, перемещаясь по наклонной поверхности, растягивают пружины 3 (рисунок 4). Для того чтобы при деформировании пружины работали только на растяжение, они в начальный момент должны быть перпендикулярны к наклонной поверхности бойка. Для обеспечения такого расположения до начала деформирования пружины необходимо устанавливать в несколько натянутом состоянии, с начальной (установочной) нагрузкой F
п.0.
, формула определения которой выведена из рассмотрения равновесия рабочей вставки до начала деформирования заготовки
 . (2)
где G
– сила тяжести рабочей вставки;
n
п
– количество пружин;
f
– коэффициент трения на контактной поверхности рабочей вставки с верхним бойком.
При этом жесткость пружины определяется по формуле:
 , (3)
где  - задаваемое отношение начального растяжения пружины l
0
к длине разгруженной пружины Н
0
.
Сила натяжение пружины в текущем положении рабочей вставки равно
 . (4)
где l
п
– удлинение пружины в текущем положении рабочей вставки.
Угол j
между исходным и текущим положениями, а также удлинение пружины l
п
можно определить в следующем виде:
 ,  (5)
где и
р.в.отн
– перемещение рабочей вставки относительно верхнего бойка;
Н
1
=Н
0
(1+k
п
) – начальная (установочная) длина пружины.
При деформировании на рабочую вставку со стороны заготовки действуют вертикальная Р
и горизонтальная Т
силы (рисунок 5). Сила Р
способствует перемещению рабочей вставки, а горизонтальная сила Т
оказывает тормозящее действие движению рабочей вставки.
Рисунок 5 – Схема действия сил на рабочую вставку (а) в процессе деформирования заготовки и план сил (б)
Сила тяжести рабочей вставки G
и сила натяжения пружины F
п
малы по сравнению с силами Р
и Т
, в связи с чем во время деформирования ими можно пренебречь. Тогда, в соответствии с планом сил, представленной на рисунке 5, б, перемещение рабочей вставки возможно только при условии:
 . (6)
В противном случае перемещение рабочей вставки невозможно из-за тормозящего действия силы Т
. Условие (6) показывает, что поперечный сдвиг заготовки рассматриваемым инструментом будет обязательно сопровождаться обжатием. Следует отметить, что значение соотношений Р/Т
в первую очередь зависит от контактных условий между заготовкой и рабочей поверхностью инструмента.
Для исследования влияния параметров предлагаемого инструмента на технологические показатели процесса деформирования проводилось математическое моделирование движения рабочей вставки. Движение рабочей вставки при поперечном сдвиге сложное, и состоит из переносного движения вместе с верхним бойком инструмента и относительного движения по наклонной поверхности верхнего бойка. Относительное движение рабочей вставки по наклонной поверхности верхнего бойка происходит под действием сил, показанных на рисунке 6.
Рисунок 6 – Схема действия сил при относительном движении рабочей вставки
В соответствии со схемой, приведенной на рисунке 6, учитывая, что  составлено дифференциальное уравнение относительного движения рабочей вставки в системе координат, связанной с верхним бойком:
 (7)
где т
– масса рабочей вставки;
– относительное ускорение рабочей вставки в виде второй производной от координаты х
по времени t
.
Вышеприведенные результаты конечно-элементного моделирования процесса деформирования заготовки при поперечном сдвиге показывают, что значения сил Р
и Т
зависят от соотношения v
г
/v
в
горизонтального и вертикального составляющих абсолютной скорости рабочей вставки и высотной деформации заготовки e
h
. Вертикальные v
в
и горизонтальные v
г
составляющие абсолютной скорости рабочей вставки можно выразить через скорость верхнего бойка v
Б
и относительную скорость рабочей вставки v
Отн.
, которая является первым производным  от координаты х
по времени t
:
 ,  . (8)
При равномерном движении верхнего бойка высотную деформацию заготовки e
h
можно выразить через ход верхнего бойка и координату х
рабочей вставки в следующем виде:
 (9)
где h
0
– начальная высота заготовки.
Таким образом выражения (8) и (9) показывают, что силы Р
и Т
выражаются в виде функции от времени t
, координаты х
, первого производного :
 ,  . (10)
Формулы (4) и (5), показывают, что сила натяжения пружины F
п.
и угол j
являются функциями от относительного перемещения рабочей вставки и
р.в.отн.
, т. е. от координаты х
:
 ,  . (11)
Таким образом, функции (10) и (11), подставляемые в уравнение (7), показывают, что относительное движение рабочей вставки описывается нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка:
 , (12)
где g
– ускорение свободного падения.
Решение дифференциального уравнения (12) методом Рунге-Кутта с применением результатов предыдущего конечно-элементного моделирования показали, что в начале движения рабочей вставки соотношения v
г
/v
в
возрастает до некоторого установившегося значения, которое при дальнейшем движении остается почти постоянной. Таким образом, можно утверждать, что результаты конечно-элементного моделирования, полученные для постоянных значений соотношения v
г
/v
в
, могут быть использованы для исследования процесса деформирования рассматриваемым инструментом. Вместе с тем установлено, что при увеличении угла наклона a
после достижения некоторой степени высотной деформации происходит резкое увеличение соотношении v
г
/v
в
. Это приводит перемещению рабочей вставки без изменения высоты заготовки, что означает прекращение процесса деформирования заготовки.
Результаты решения дифференциального уравнения также показали, что на основные показатели процесса деформирования v
г
/v
в
и e
h
в большей степени влияют угол наклона a
и коэффициент трения f
между рабочей вставкой и верхним бойком. При различных значениях f
перемещения рабочей вставки по наклонной поверхности верхнего бойка, возможно начиная с определенного значения a
. Однако при меньших значениях a
будут низкие значения соотношений v
г
/v
в
, при которых процесс деформирования заготовок будет близок к осадке, чем сдвигу заготовки. Увеличение a
, а также применение смазки на контактной поверхности между рабочей вставкой и верхним бойком при одинаковых значениях угла наклона приводит к увеличению соотношения v
г
/v
в
что благоприятно повлияет на развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовки.
Сравнительный анализ результатов конечно-элементного моделирования процесса деформирования и математического моделирования работы инструмента показывает, что наиболее лучшие показатели процесса деформирования получаются для инструмента с углом наклона a
=30° при применении смазки на контактной поверхности между рабочей вставкой и верхним бойком. При этих условиях деформирование заготовки осуществляется соотношением v
г
/v
в
=2,2, что лежит в диапазоне 2¸3, рекомендованное по результатам конечно-элементного моделирования процесса деформирования. Такое соотношение v
г
/v
в
обеспечивает более интенсивные сдвиговые деформации, чем при других значениях. Таким образом, использование приведенного метода математического моделирования работы инструмента совместно с конечно-элементным моделированием процесса деформирования позволил подобрать рациональные параметры и условия работы инструмента, при которых будут обеспечены наилучшие технологические показатели процесса деформирования предлагаемым инструментом.
Как установлено выше, при ковке заготовок предлагаемым инструментом наряду с эксцентричностью приложения нагрузки возникает горизонтальная сила Т
, что усложняет условия нагружения узлов кузнечного оборудования. Исходя из этого, проведен расчет колонн ковочного пресса, с учетом горизонтальной силы Т
. Результаты расчета колонн пресса П-154 с номинальным усилием 12,5 МН показали, что при деформировании заготовок предлагаемым инструментом даже в наиболее неблагоприятных случаях нагружения будет исключен выход из строя колонн.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены методика и результаты экспериментальных исследовании в лабораторных условиях процесса деформирования и работы инструмента, реализующего интенсивные сдвиговые деформации.
Экспериментальные исследования в лабораторных условиях проводились с использованием образцов из свинцово-сурьмянистого сплава, при соблюдении положении теории подобия и моделирования. Образцы деформировались лабораторной моделью предлагаемого инструмента на гидравлическом прессе ПСУ-125.
Результаты экспериментальных исследований, полученных в лабораторных условиях, использовали для количественной и качественной проверки результатов математического моделирования на ЭВМ процесса деформирования и работы инструмента.
В ходе экспериментов установлено, что экспериментальные значения соотношения v
г
/
v
в
горизонтального и вертикального составляющих скорости рабочей вставки незначительно (4-8%) отличается от средних значений соотношения v
г
/
v
в
, полученных в результате математического моделирования на ЭВМ.
Одним из подтверждений адекватности математических моделей является качественное совпадение формоизменения заготовки и конфигурации поля распределения деформации по сечению, полученные путем теоретических и экспериментальных исследований. Качественное сравнение формоизменения заготовок, полученных при лабораторном эксперименте и конечно-элементном моделировании, показывает их схожесть. Обработка экспериментальной информации, полученной по методу координатных сеток, позволил количественно оценить распределение степени интенсивности деформации сдвига Г
по поперечному сечению образца. Установлено, что при лабораторном эксперименте также как и при конечно-элементном моделировании максимальные значения степени интенсивности деформации сдвига Г
наблюдаются вблизи короткой диагонали параллелограмма, форму которого в ходе деформирования приняло сечение образца. Экспериментальные значения степени деформации сдвига незначительно отличаются (6-8%) от значений, полученных при конечно-элементном моделировании. Например, при деформировании образцов до e
h
=0,25 на инструменте с углом наклона a
=30°, для которой соотношения v
г
/
v
в
»2
, максимальное экспериментальное значение степени интенсивности деформации сдвига составило G
max
=1,767, что близко к значению G
max
=1,783, полученной при конечно-элементном моделировании процесса деформирования с такой же высотной деформацией и соотношением v
г
/
v
в
.
Результаты конечно-элементного моделирования, приведенные во второй главе, показали, что усилие деформирования при реализации интенсивных сдвиговых деформаций значительно ниже, чем при осадке. Для подтверждения этих результатов производили экспериментальное исследование энергосиловых параметров при деформировании заготовок предлагаемым инструментом и осадке плоскими бойками. Результаты, полученные в ходе эксперимента, показали, что при деформировании предлагаемым инструментом происходит значительное снижение Р
, чем при осадке в плоских бойках. Например, для данного случая при высотной деформации равной eh
=0,25 усилие деформирования при сдвиге заготовки предлагаемым инструментом почти в 2 раза ниже, чем при осадке в плоских бойках. Такие же результаты были получены при конечно-элементном моделировании процесса деформирования. Таким образом, качественное совпадение полученных закономерностей и близкие количественные результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают, что конечно-элементная и математическая модели адекватно описывают процесс деформирования заготовок предлагаемым инструментом.
Вместе с тем при деформировании предлагаемым инструментом для одинакового обжатия заготовки требуется больше хода траверсы пресса, чем при осадке плоскими бойками. Например, при высотной деформации равной e
h
=0,25 ход траверсы пресса составил: для плоских бойков – 8 мм, для инструментов с углами наклона 25º и 30º соответственно 15 мм и 17 мм. Это приводит к тому, что при деформировании предлагаемым инструментом, несмотря на снижение усилий деформирования, при одинаковых обжатиях заготовки энергосиловые параметры пресса изменяются незначительно по сравнению с осадкой в плоских бойках. Однако при одинаковых обжатиях деформирование предлагаемым инструментом приводит к более интенсивной проработке металла, чем осадка плоскими бойками. Например, работа пресса, соотнесенная к средней степени интенсивности деформации сдвига, составила: для плоских бойков – 1,75 кДж, для инструментов с углами наклона 25º и 30º соответственно 0,96кДж и 0,85 кДж.
Для исследования закрытия внутренних дефектов слитка инструментом, реализующего интенсивные сдвиговые деформации заготовок, производили деформирование образцов, в которых внутренние дефекты слитков моделировали сквозными цилиндрическими отверстиями, рассредоточенные по поперечному сечению образца. Качественный анализ закрытия искусственных дефектов в модельных образцах показывает, что при деформировании предлагаемым инструментом полное закрытие отверстий в осевой зоне и вдоль короткой диагонали параллелограмма, форму которого принимала сечение образцов, происходит при высотной деформации равной e
h
=0,25 . Кантовка образца на 90° и последующее деформирование его инструментом привели к полному закрытию остальных отверстий. Для сравнения модельные образцы подвергли осадке плоскими бойками, где полное закрытие аналогичных отверстий происходило при высотной деформации e
h
=0,45. Известно, что осевые зоны характеризуются пониженной прочностью вследствие объективных закономерностей кристаллизационных процессов. Отсюда следует вывод о том, что если ставится задача повышения качества поковок за счет активной проработки осевой зоны, то реализация интенсивных сдвиговых деформации предлагаемым инструментом будет достаточно эффективным способом устранения осевой усадочной рыхлости в заготовках.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты опытно-промышленного испытания предлагаемого инструмента, в условиях кузнечно-прессового цеха АО «Миттал Стил Темиртау».
Для проведения опытно-промышленного опробования предлагаемого способа деформирования и нового инструмента из стали 40Х изготовили шесть заготовок размерами 200х200х300 мм При ковке предлагаемым способом три заготовки были продеформированы с перемещением рабочей вставки в горизонтальном направлении соответственно на 80 мм, 100 мм и 120 мм. Затем выпрямляли заготовки, повернув их на 180°, и сдвигая в обратном направлении. При этом высотная деформация заготовок e
h
составили 30%, 35% и 37,5%, а уков составили соответственно 1,4; 1,5 и 1,6. Для получения сравнительных результатов оставшиеся заготовки деформировали по действующей технологии в плоских бойках с такими же высотными деформациями и уковами. Деформирование заготовок осуществляли на гидравлическом прессе П-154 с усилием 12,5 МН.
Результаты опытно-промышленного испытания показали, что при ковке заготовок предлагаемым инструментом улучшается все механические свойства металла поковок, чем при ковке плоскими бойками. Для полноценной и комплексной оценки качества поковок, используя методы квалиметрии, вычислили значения дифференциальных ki
и комплексных К
0
критериев качества поковок. Сравнение комплексных показателей качества показывает, что ковка заготовок предлагаемым инструментом обеспечивает лучшее качество поковок по сравнению с ковкой плоскими бойками. Например, для поковок из стали 40Х, откованных плоскими бойками, комплексный показатель составляет 0,663…0,717, а для поковок, изготовленных предлагаемым инструментом, составляет 0,728…0,817.
Металлографические исследования металла поковок из стали 40Х, показали, что при ковке в новым инструментом у образцов получаются более плотная макроструктура с мелкими следами дендритной ликвации и без внутренних несплошностей. Микроструктура зерен во всех направлениях соответствует 8 баллам, что на 1...2 балла выше, чем у поковок, откованных плоскими бойками, а также имеют заметную равноосность как в поверхностной, так и осевой зоне. Таким образом, результаты опытно-промышленных испытаний доказывают, что качество металла поковок, изготовленных новым инструментом заметно выше, чем качество поковок, полученных с применением плоских бойков.
Заключение
1. Обоснован способ деформирования, при котором интенсивные сдвиговые деформации в объеме металла заготовок могут быть реализованы инструментами с плоскими рабочими поверхностями, и в результате конечно-элементного моделирования процесса деформирования выявлены закономерности развития интенсивных сдвиговых деформации в объеме металла заготовок и изменения энергосиловых параметров в зависимости от технологических показателей процесса деформирования, которыми являются соотношение и
г
/и
в
горизонтальных и вертикальных составляющих перемещения верхней рабочей поверхности инструмента и коэффициент трения m
между заготовкой и инструментом.
2. Установлено, что наилучшие показатели напряженно-деформированного состояния заготовки и энергосиловых параметров процесса получаются при соотношениях u
г
/u
в
=2¸3 и деформировании заготовки инструментом с грубо обработанной рабочей поверхностью без применения смазки. При этом в результате развития сдвиговых деформаций в объеме металла происходит интенсивная проработка осевой зоны заготовок со снижением усилия деформирования почти в 2 раза по сравнению с осадкой.
3. Разработан инструмент с плоскими рабочими поверхностями, реализующий интенсивные сдвиговые деформации в объеме металла заготовок, отличающееся от существующих простотой конструкции, отсутствием сложных узлов, что улучшает его монтаж, наладку и эксплуатацию. В результате математического моделирования работы инструмента выявлено влияние параметров инструмента на технологические показатели процесса деформирования и установлено, что наиболее лучшие показатели процесса деформирования получаются для инструмента с углом наклона a
=30° при применении смазки на контактной поверхности между рабочей вставкой и верхним бойком, т.е. при f
=0,05.
4. Экспериментально установлена адекватность математического моделирования процесса деформирования и работы инструменты, что выражается в качественном совпадении полученных закономерностей и близости количественных результатов теоретических и экспериментальных исследований. Доказано преимущество способа деформирования заготовок предлагаемым инструментом по сравнению с осадкой на плоских бойках, которое достигается за счет интенсивного развития сдвиговых деформации и снижения энергосиловых параметров.
5. Установлено, что реализация интенсивных сдвиговых деформации предлагаемым способом деформирования и инструментом для его реализации является достаточно эффективным способом устранения осевой усадочной рыхлости в заготовках и позволяет повысить качество заготовок за счет активной проработки осевой зоны.
6. По результатам опытно-промышленного опробования установлено, что при деформировании новым способом и инструментом, реализующих интенсивные сдвиговые деформации, обеспечивается повышение механических свойств металла на 15-20% чем при ковке действующим способом. При ковке новым способом макроструктура металла более плотная, с мелкими дендритами, а микроструктура по всему сечению на 1...2 балла выше и имеет более равномерно распределенные равноосные зерна по всем направлениям и зонам чем у металла поковок, откованных действующим способом.
Список публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А., Геометрические основы деформации при реализации поперечного сдвига // Сб. трудов межд. конф. «Научно-технический прогресс в металлургии».–Темиртау, 2001.– С.183-188.
2. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А., Определение поля скоростей при реализации сдвиговых деформаций клиновидными бойками // Сб. трудов межд. конф. «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан-2030».–Караганды, 2002.–С.146‑148.
3. Найзабеков А. Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Определение параметров кузнечного инструмента, реализующего ковку сдвигом. // Технология производства металлов и вторичных материалов. – Темиртау, 2002.–№2.–С.61-66.
4. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Анализ распределения контактных напряжений при поперечном сдвиге заготовок // Технология производства металлов и вторичных материалов.–Темиртау, 2003.–№1.–С.90-92.
5. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Использование начало виртуальных скоростей при исследовании ковки сдвигом // Сб. трудов межд. конф. «Научно-технический прогресс в металлургии».–Темиртау, 2003.–С.329-333
6. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Математическое моделирование процесса поперечного сдвига при различных контактных условиях // Технология производства металлов и вторичных материалов.–Темиртау, 2003.–№2.–С.59-63.
7. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Деформирование заготовок плоскими бойками с наложением дополнительных сдвиговых деформаций // Изв. вузов. Черная металлургия.–2004.–№6.–С.24-26.
8. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А. Исследование работы кузнечного инструмента, реализующего поперечный сдвиг заготовки // Технология производства металлов и вторичных материалов.–Темиртау, 2004.–№1.– С.45-49
9. Найзабеков А.Б., Ногаев К.А. Исследование работы кузнечного инструмента, реализующего поперечный сдвиг заготовки. // Труды университета.–Караганды, 2005.–№1.–С.43-45.
10. Найзабеков А.Б., Ашкеев Ж.А., Ногаев К.А., Абаева С.С. Деформированное состояние при ковке заготовок поперечным сдвигом // Изв. вузов. Черная металлургия.–2005.–№8.–С.67.
11. Найзабеков А.Б., Кулжабаева А.А., Ногаев К.А. Моделирование на ЭВМ методом конечных элементов процесса деформирования заготовок в замковых бойках // Технология производства металлов и вторичных материалов.– Темиртау, 2004.–№1.–С.59-63.
12. Предпат. 14306. РК. Кузнечный инструмент. / А.Б. Найзабеков, Ж.А. Ашкеев, К.А. Ногаев и др.; опубл.05.05.2004. Бюл. №5. 3с: ил.
13. Найзабеков А.Б., Лежнев С.Н., Ногаев К.А., Голумбовская С.Ю. Роль конструктивных параметров кузнечных инструментов при реализации поперечного сдвига заготовок. // Труды университета.– Караганды, 2005.–№4.–С.37-39.
Но
ғае
в
Қ
айрош
Әбілұлы
Ұсталық бұйымдардың сапасын арттыруды қамтамасыз ететін, ресурс үнемдейтін ұсталау тәсілін жасау және зерттеу
Мамандық 05.03.05 – Қысыммен өңдеу технологиялары және машиналары
ТҮЙІН
Зерттеу нысаны дайындамаларды қарқынды ығысу деформацияларын іске асыратын аспапен ұсталау процессі.
Диссертациялық жұмыстың мақсаты ұсталық бұйымдардың сапасын арттыруды қамтамасыз ететін, дайындамаларды ұсталаудың ресурс үнемдейтін тәсілін жасау және зерттеу.
Айтылған мақсат келесі есептерді қою және шешу арқылы орындалған:
- энергия үнемдеуші деформациялау тәсілін және оны іске асыратын аспапты жасауды теориялық және экспериментті түрде негіздеу;
- деформациялау тәсілін зерттеу әдістемесін математикалық моделдеудің сандық әдістері негізінде жетілдіру;
- жаңа аспаппен деформациялағандағы дайындаманың кернеулі-деформацияланған күйін анықтау;
- жаңа әдіспен алынған ұсталық бұйымдардың сапасн бағалау.
Жұмыстың ғылыми жаңалығы:
Математикалық моделдеудің сандық әдістері негізінде деформациялау процессінің технологиялық көрсеткіштеріне байланысты металл көлемінде қарқынды ығысу деформацияларының дамуы және энергия күштік параметрлерінің өзгеру заңдылықтары табылды. Деформация ошағының және деформациялау процессінің энергия күштік параметрлерінің тиімді сипаттамалары қамтамасыз етілетін, деформациялаушы аспаптың рационал конструкторлық параметрлері және жұмыс жағдайы анықталды.
Жұмыстың негізгі сипаттамалары. Жұмыста дайындамалардың қарқынды ығысуын іске асыратын аспаппен ұсталық бұйымдардың сапасын арттырудың теориялық және эксперименттік мәселелері келтірілген. Дайындама металлы көлеміндегі қарқынды ығысу деформациялары жұмыс беті жазық аспатармен іске асырылатын деформациялау әдісі негізделді және шекті элементтік моделдеу нәтижесінде деформациялау процессінің технологиялық көрсеткіштері болатын жоғарғы жұмыс бетінің орын ауыстыруының көлденең және тік құраушыларының қатынасына и
г
/и
в
және дайындама мен аспап арасындағы үйкеліс коэффициентіне m
байланысты металл көлемінде қарқынды ығысу деформацияларының дамуы және энергия күштік параметрлерінің өзгеру заңдылықтары табылды. Кернеулі деформацияланған күйдің және энергия күштік параметрлердің үздік көрсеткіштері и
г
/и
в
=2÷3 қатынастарында және майлау қоданылмайтын кедір-бұдырлы жұмыс беттерімен деформациялағанда алынатындығы анықталды. Бұл жағдайда дайындамалардың өстік аймақтары қарқынды өнделіп деформациялау күші отырғызумен салыстырғанда 2 есеге азаяды. Бар аспатардан конструкциясының қарапайымдылығымен, күрделі түйіндерінің жоқтығымен ерекшеленетін, ұсынылған деформациялау әдісін іске асыратын аспап жасалды. Аспаптың жұмысын математикалық моделдеу нәтижесінде аспап параметрлерінің деформациялау процессінің технологиялық көрсеткіштеріне ықпалы табылды және деформациялау процессінің неғұрлым үздік көрсеткіштері көлбеулік бұрышы a
=30° болатын аспапта, жұмысшы қыстырма мен жоғарғы тоқпақ арасындағы түйісу бетін майлағанда алынатындығы анықталды. Деформациялау процессін және аспап жұмысын математикалық моделдеудің дұрыстығы, алынған заңдылықтардың сапалық дәл келуі және теориялық пен эксперименттік зерттеулердің сандық нәтижелерінің жақын болуы арқылы эксперименттік түрде дәлелденді.
Ұсынылған аспапты «Миттал Стил Теміртау» АҚ-ның ұсталау-пресстеу цехы жағдайында өнеркәспітік-тәжірибелік сынақтан өткізу оны жоғары тиімділігін көрсетті. Жүргізілген зерттеулер нәтижелері дайындамаларды ұсынылған аспаппен ұсталаудың жазық тоқпақтармен ұсталауға қарағанда ұсталық бұйымдардың сапасын төменгі энергия шығынымен арттырадындығын көрсетті.
Жұмыстың тәжірибелік құндылығы:
- жүргізілген зерттеулер негізінде ұсталық бұйымдардың жоғары сапасын қамтамасыз ететін жаңа ұсталық аспап жасалған (№14306 ҚР алдын-ала патенті);
- жасалған технологиялық процесс «Миттал Стил Теміртау» АҚ ұсталау-пресстеу цехында өнеркәспітік-тәжірибелік сынақтан өтті және оң баға алды.
Nogaev Kayrosh Abilovich
Development and research of resource saving forging method providing increased quality billets
Speciality 05.03.05 - Technology and machine of processing by pressure
RESUME
Object of research is the process of forging by the tool realizing intensive shear deformations of preparations.
The purpose of the dissertation research is the development and research of resource saving forging method providing increased quality billets.
The given purpose is concretized in statement and decision of the following tasks:
- theoretical and experimental substantiation of creation resource saving of a deformation methods and tool for its realization;
- perfection of a technique of research of deformation methods on the basis of numerical methods of mathematical modeling;
- definition is intense - is deformed condition of preparations at deformation by the new tool;
- realization of trial approbation of the developed way and tool under production conditions
- realization of an estimation of quality billets, received by a new way.
Scientific novelty of work:
On the basis of numerical methods of mathematical modeling the laws of development of intensive shear deformation in volume of metal of preparations and change of power parameters are revealed depending on technological parameters of deformation process. The rational design data and conditions of work of deformation tool are established, at which the optimum characteristics of the center of deformations and of power parameters of deformation process will be supplied.
The basic characteristics of work. In work the theoretical and experimental aspects of increase of quality billets by the tool realizing intensive shear of preparations are given. The deformation methods is proved, at which the intensive shear deformations in volume of metal of preparations can be realized by tools with flat working surfaces, and as a result finite-element modeling of deformation process the laws of development of intensive shear deformation in volume of metal of preparations and change of power parameters are revealed depending on technological parameters of deformation process, with which are a ratio of и
г
/
и
в
of horizontal and vertical making moving of the top working surface of the tool and factor of friction between preparation and tool. Is established, that the best parameters is intense - is deformed condition of preparation and of hower parameters of process turn out at ratio и
г
/
и
в
=2÷3 and at deformation of preparation by the tool with the roughly processed working surface without application of greasing. Thus as a result of development of shear deformations in volume of metal there is an intensive study of an axial zone of preparations to decrease of effort deformation almost in 2 times in comparison with deposit. The tool realizing offered of deformation methods, distinguished from existing by simplicity of a design, absence of difficult units is developed. As a result of mathematical modeling of work of the tool the influence of parameters of the tool on technological parameters of deformation process is revealed and is established, that most best parameters of deformation process turn out for the tool with a corner of an inclination a
=30° at application of greasing on a contact surface between a working insert and top brisk. The adequacy of mathematical modeling of deformation process and work tools is experimentally established, that is expressed in qualitative concurrence of the received laws and affinity of quantitative results theoretical and experimental researches. Experimental and industrial try-out of the proposed tool in the conditions of the forge pressing shop of JSC “Mittal Steel Temirtau” showed its high efficiency. The research made showed the advantages of forging with the proposed tool as compared to forging with flat dies which is proved by increasing quality of forgings and cutting down power expenses.
Practical value of work:
- a new forging tool (pre-patent RK №14306) providing high quality of forgings at minimum reduction of the billet was developed on the basis of the research made;
- the developed technological process experimental and industrial try-out in of the forge pressing shop of JSC “Mittal Steel Temirtau” and has received a positive estimation.
Подписано к печати 14.02.2006г. Формат 60х84 .
Заказ №1200. Тираж 100 экз. Бумага типографская №1.
Объем – 1 усл. печ. л.
ЛОТ АО «КарМетИ»
101400, Темиртау, пр. Республики, 30 |